ES2269209T3 - Aparato y metodo para refrigerar transformadores de potencia. - Google Patents

Abstract

Sistema para reducir la temperatura de un refrigerante (15) que fluye a través de un transformador (10) de potencia, que comprende un sistema (27) de refrigeración de transformador de potencia que tiene un primer intercambiador (22) de calor que tiene un primer conducto (20) de entrada para recibir el refrigerante desde el transformador (10) de potencia, y una salida (30) para devolver el refrigerante al transformador (10) de potencia; una válvula (40) controlable conectada entre el primer conducto (20) de entrada y un segundo conducto (42) de entrada, comunicando el segundo conducto (42) de entrada con un segundo intercambiador (44) de calor, de líquido a líquido, una fuente (48) de material enfriado conectada al segundo intercambiador (44) de calor para proporcionar material enfriado al mismo para retirar calor del refrigerante que fluye a través del segundo intercambiador (44) de calor, comunicando una segunda salida (46) del segundo intercambiador (44) de calor con el transformador (10)de potencia; y la válvula (40) controlable que puede hacerse funcionar selectivamente entre una posición abierta en la que el refrigerante se desvía hacia el segundo conducto (42) de entrada y una posición cerrada en la que se permite que el refrigerante fluya a través del primer conducto (20) de entrada hasta el primer intercambiador (22) de calor, accionando un controlador (55) la válvula (40) como una función de la temperatura de o bien el sistema (27) de refrigeración de transformador o el transformador (10).

Description

Aparato y método para refrigerar transformadores de potencia.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a transformadores y, en particular, a un aparato y método para refrigerar transformadores de potencia durante el uso.

Los transformadores de potencia se emplean dentro de sistemas de suministro de energía con el fin de transformar, transmitir y distribuir electricidad para el consumo por el usuario final. Los transformadores se designan mediante voltajes de funcionamiento de lado alto y bajo, y se dimensionan con respecto a la capacidad de los voltios y amperios que están transportándose. Por ejemplo, los transformadores de gran tamaño se utilizan como transformadores de transmisión, que elevan el voltaje a lo largo de la cadena de suministro de energía, así como transformadores de distribución, que disminuyen los voltajes para su distribución.

Un inconveniente de los transformadores existentes es su propensión a problemas operacionales asociados con las altas temperaturas de funcionamiento, tanto internas como externas a los transformadores. Normalmente, con el fin de mantener la capacidad nominal y conservar la vida útil del transformador y todas sus partes constituyentes, debe mantenerse la temperatura máxima dentro del transformador inferior a la menor de 95ºC (203ºF) y una temperatura que es 65ºC superior a la temperatura ambiente. El fallo en mantener la temperatura del transformador regulada así puede dar como resultado un fallo del transformador o quizá la reducción significativa de su vida útil, cada uno de los cuales da como resultado un alto coste para la industria debido a la necesidad de sustituir las unidades de transformador destruidas.

Además, debido a la relación directamente proporcional entre la temperatura y la resistencia eléctrica, cuando aumenta la temperatura de los arrollamientos de cobre en el núcleo del transformador, disminuye la eficacia del transformador, dando como resultado de ese modo una pérdida de potencia de salida (vatios) proporcional al calentamiento del núcleo del transformador. Además, durante su uso, la temperatura en el interior del transformador tiende a aumentar debido a la corriente eléctrica que fluye a través de los arrollamientos conductores y la microcorriente que fluye en el núcleo de acero magnético.

Algunos intentos anteriores de controlar la temperatura del transformador han sido relativamente rudimentarios. Por ejemplo, un enfoque común ha sido simplemente empapar el transformador con agua pulverizada cuando las condiciones ambientales sugieren el riesgo de una temperatura del transformador excesiva, o cuando se detecta una condición de alta temperatura.

En otro enfoque, se han proporcionado baños de aceite para los mecanismos internos del transformador. En diferentes aplicaciones de la técnica anterior, tales baños de aceite se diseñaron para funcionar en varios niveles. En primer lugar, un nivel "autorrefrigerado" se basa esencialmente en corrientes de convección dentro del aceite aislante y refrigerante de los transformadores para extraer calor del núcleo. Un segundo nivel usa una circulación forzada del aceite aislante a través de intercambiadores de calor/radiadores integrados en o separados del transformador que utiliza aire ambiente alrededor de los intercambiadores de calor para absorber la energía calorífica del aceite refrigerante. Un tercer nivel usa la circulación de aceite forzada del segundo nivel pero añade ventiladores eléctricos, alimentados mediante la energía suministrada desde el propio transformador u otras fuentes de alimentación en la subestación, para forzar la circulación de aire sobre los radiadores externos, aumentando así la retirada de calor del aceite y, por tanto, de los arrollamientos del transformador y aumentando de ese modo la eficacia del transformador. Estos ventiladores, que se hacen funcionar selectivamente cuando se eleva la temperatura del transformador son suficientemente grandes, están controlados por un controlador conectado a sensores de temperatura situados en y sobre los transformadores.

En la figura 1, se muestra esquemáticamente un sistema de la técnica anterior que usa ventiladores. El transformador, generalmente designado como 10, es de diseño convencional e incluye una carcasa o alojamiento en el que se dispone un núcleo 12 de hierro dulce con arrollamientos 14 de cobre alrededor del mismo. El núcleo y los arrollamientos están sumergidos en un baño de aceite 15 refrigerante. Una cubierta 16 de gas nitrógeno en la parte superior del volumen interno del alojamiento del transformador mantiene la calidad del aceite dentro del alojamiento.

Situada próxima a la parte superior del alojamiento del transformador hay una salida conectada por medio de una válvula 18 de aislamiento superior a un conducto 20 que conduce a un radiador o intercambiador de calor, generalmente designado como 22. En este sistema anterior, el radiador 22 incluye tubos 24 refrigerante con aletas a través de los cuales se hace circular el aire refrigerante. Los tubos están orientados en una serie de filas y columnas separadas para permitir el paso de aire ambiente alrededor de los mismos para fines de refrigeración. Una pluralidad de ventiladores 26 accionados por motor están diseñados para extraer aire por y alrededor de los tubos 24 de refrigeración con aletas con el fin de proporcionar refrigeración ambiente por aire forzado. La salida del radiador 22 está conectada a una bomba 28 accionada por motor, sellada que bombea el aceite refrigerante a través del conducto 30, la válvula 32 de aislamiento inferior y de vuelta al volumen interno del alojamiento del transformador.

Durante el funcionamiento, la bomba 28 fuerza el aceite refrigerante hacia la base del transformador tal como se indica mediante la flecha 33. Según se desplaza el aceite hacia arriba, tal como se indica en 35, por y a través de los diversos orificios previstos dentro de los mecanismos internos del transformador (tal como el núcleo 12 y los arrollamientos 14), aumenta la temperatura del aceite refrigerante según retira calor, y refrigera de este modo las partes del transformador que han aumentado de temperatura debido a su funcionamiento. El aceite ahora calentado pasa a través de la salida de aceite en 37 al interior del conducto 20 y se envía a través del radiador 22. Se extrae aire ambiente, que se introduce en la zona en la que se instala el radiador, sobre los tubos 24 de refrigeración mediante ventiladores 26 para refrigerar el aceite que pasa a través de los tubos 24. El aire ambiente que se ha calentado según se extrae energía del aceite refrigerante se descarga a la atmósfera, y el fluido refrigerado se devuelve a la bomba 28 para su recirculación a través del transformador.

Aunque el sistema de refrigeración de la técnica anterior mostrado en la figura 1 sí que proporciona algún beneficio, sus limitaciones de refrigeración dan como resultado que algunos transformadores funcionen en condiciones que no son deseables. Específicamente, los límites impuestos por las condiciones ambientales, más específicamente temperatura, humedad, pueden dar como resultado que el aceite refrigerante pase completamente a través del intercambiador de calor sin una eliminación suficiente de energía calorífica, de tal manera que con el tiempo la temperatura de la refrigeración continúa acumulándose, y las capacidades de refrigeración de tal aceite disminuyen entonces. Al final, el aceite refrigerante puede llegar a estar demasiado caliente para evitar que el transformador supere las temperaturas recomendadas.

También, se produce normalmente la utilización del transformador y, en consecuencia, la carga de corriente de carga durante las condiciones de mayor temperatura ambiente. Por ejemplo, la temperatura del baño de aceite puede elevarse en los días en los que las condiciones ambientales son extremadamente cálidas y húmedas, y, en consecuencia, el aceite no se refrigera adecuadamente y la temperatura continúa acumulándose en el transformador hasta que puede producirse un daño en los mecanismos del transformador.

Por tanto, sería deseable proporcionar un sistema de refrigeración para transformadores de potencia que supere estos y otros inconvenientes de la técnica anterior.

Sumario de la invención

Se exponen aspectos de la presente invención en las reivindicaciones independientes. Se exponen las características preferidas de la presente invención en las reivindicaciones dependientes.

La presente invención proporciona un aparato y método para la refrigeración mejorada de los mecanismos internos de un transformador de potencia. El aparato modula el calor del núcleo del transformador mientras que al mismo tiempo proporciona una fuente de refrigeración de alta eficacia que es menos propensa a tener una acumulación de calor en el aceite refrigerante debido a la variación de las condiciones ambientales y calor en el núcleo debido a la carga del transformador. El aparato envía selectivamente aceite refrigerante para el transformador hacia un intercambiador de calor dotado con una fuente de material enfriado más eficaz que el aire ambiente. La presente invención puede utilizar energía en las horas de menos demanda proporcionada por el transformador para alimentar el sistema por medio del uso de intercambiadores de calor que almacenan energía para su uso posterior. En una realización, los intercambiadores de calor pueden utilizar material de cambio de fase para el almacenamiento de calor.

Una ventaja de la presente invención es que proporciona un sistema para refrigerar eficazmente los mecanismos internos de un transformador para todas las condiciones ambientales, con el fin de que el transformador no esté sometido a calor que daña su integridad estructural y/o su eficacia.

Todavía otra ventaja de la presente invención es que el sistema de refrigeración puede usar un intercambiador de calor que se hace funcionar con material enfriado proporcionado por el uso de energía en las horas de menos demanda, disminuyendo de ese modo el coste de las operaciones. Aún otra ventaja es que la energía calorífica del transformador puede utilizarse en proporcionar la energía requerida para hacer funcionar el intercambiador de calor que refrigera el aceite refrigerante enviado en el transformador.

Se logra una ventaja adicional mediante las características de la presente invención que efectúan apropiadamente la refrigeración del aceite refrigerante del transformador para cualquier condición ambiental, maximizando de ese modo la capacidad eléctrica del transformador.

Un objeto del sistema de la invención es mejorar la eficacia global del transformador eliminando el calor generado por el flujo de corriente a través del transformador. Otro objeto es aumentar la utilización y extender la vida útil del transformador mantenidos por el sistema de refrigeración de la invención.

Las ventajas y objetos mencionados anteriormente y otros de esta invención, y la manera de obtenerlos, resultarán más evidentes y la propia invención se entenderá mejor mediante referencia a la siguiente descripción de realizaciones de la invención tomada junto con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista frontal esquemática, en sección transversal parcial, de un sistema de refrigeración de la técnica anterior para un transformador de potencia.

La figura 2 es una vista frontal esquemática, en sección transversal parcial, de partes de un sistema de refrigeración para un transformador de potencia de la presente invención.

La figura 3 es un diagrama de las horas útiles de un transformador como una función de la temperatura del aceite del transformador, que compara el rendimiento de sistemas de refrigeración de la técnica anterior con el rendimiento de un sistema de refrigeración construido según las enseñanzas de la presente invención. ºC = 5/9 (ºF -32)

La figura 4 es una vista esquemática que ilustra una realización de los componentes usados para producir material enfriado para el intercambiador de calor de la figura 2. ºC = 5/9 (ºF -32)

La figura 4A es una vista en sección transversal, tomada a lo largo de la línea 4A-4A de la figura 4, del intercambiador de calor con material de cambio de fase, y que muestra además en líneas discontinuas la conexión eléctrica entre los elementos calefactores del intercambiador de calor y una fuente de alimentación.

La figura 5 es una vista en planta esquemática de un sistema de refrigeración de un transformador de potencia de la presente invención adecuado para su uso con un transformador de potencia de 100 MVA. ºC = 5/9 (ºF -32)

La figura 6 es una vista en planta esquemática de otro sistema de refrigeración de un transformador de potencia de la presente invención. ºC = 5/9 (ºF - 32)

La figura 7 es una representación esquemática de una subestación eléctrica que tiene varios transformadores, incluyendo cada uno un sistema de refrigeración según una realización de la presente invención.

Los caracteres de referencia correspondientes indican partes correspondientes en todas las diversas vistas. Aunque los dibujos representan realizaciones de la invención, los dibujos no están necesariamente a escala y ciertas características pueden exagerarse u omitirse con el fin de ilustrar y explicar mejor la presente invención.

Descripción de las realizaciones preferidas

Para los fines de potenciar el entendimiento de los principios de la invención, ahora se hará referencia a las realizaciones ilustradas en los dibujos y se usará un lenguaje específico para describir las mismas. No obstante, se entenderá que no se pretende de ese modo ninguna limitación del alcance de la invención. La invención incluye cualquier alteración y modificación adicional en los dispositivos ilustrados y métodos descritos y las aplicaciones adicionales de los principios de la invención que se le ocurrirían normalmente a un experto en la técnica a la que se refiere la invención. Por ejemplo, aunque la realización ilustrada es una modificación de un sistema existente, el sistema de refrigeración de la invención puede incorporarse en las especificaciones de diseño para un conjunto de transformadores de potencia recién construido.

Haciendo referencia ahora a la figura 2, se muestra esquemáticamente partes seleccionadas de una realización de un sistema 27 de refrigeración de un transformador de la presente invención. En esta realización, el transformador y el sistema de refrigeración de la técnica anterior mostrados en la figura 1 se han modernizado con un sistema de refrigeración de la presente invención para proporcionar capacidades de refrigeración del transformador mejoradas durante muchas condiciones de funcionamiento posiblemente experimentadas por el transformador. Por tanto, el sistema de refrigeración de la invención se está usando para aumentar las capacidades de refrigeración de un sistema de refrigeración convencional. Esta realización es ilustrativa y no pretende ser limitativa ya que el sistema de refrigeración de la invención puede usarse alternativamente como el único sistema de refrigeración para el aceite refrigerante de un transformador.

Con números de referencia en la figura 2 iguales a los de la figura 1 para las partes correspondientes, el sistema de refrigeración de la invención introduce una válvula de tres vías, mostrada esquemáticamente en 40, en el conducto 20. La válvula 40 se conecta a un conducto 42 que está conectado a un intercambiador de calor complementario, mostrado de manera abstracta en 44, que se usa para refrigerar el aceite refrigerante que fluye alrededor del transformador. Aunque se muestra con fines de ilustración en la figura 2 como estando por encima o próxima al conducto 20, la válvula 40 de tres vías se sitúa en el conducto 20 con el fin de redirigir selectivamente el aceite refrigerante de tal manera que el aceite se desvíe del radiador 22 y fluya en su lugar hacia el conducto 42 y luego a través del intercambiador 44 de calor de fluido de trabajo enfriado. Este desvío se programa (usando un controlador 55 descrito en el presente documento) para que se produzca cuando los ventiladores 26 y el radiador 22 no van a poder refrigerar apropiadamente el aceite refrigerante.

En una característica de la invención, una línea 46 de retorno desde el intercambiador 44 de calor está conectada a una bomba 28 de circulación. La línea 46 de retorno introduce aceite refrigerado durante su paso a través del intercambiador 44 de calor hasta la bomba 28 para la recirculación a través del transformador 10. La temperatura a la que se refrigera el aceite depende de la carga del transformador, las condiciones de temperatura ambiente y el sistema de refrigeración, temperaturas que son preferiblemente lo suficientemente bajas para no degradar la vida o eficacia del transformador. Preferiblemente, una válvula de retención o válvula 47 de dos vías está interpuesta en la línea 46 de retorno para controlar el flujo de recirculación proporcionado al transformador. En una realización, esta válvula 47 puede controlarse en conjunción con la válvula 40.

El intercambiador 44 de calor utiliza un fluido de trabajo enfriado o un material enfriado para reducir sensiblemente la temperatura del aceite refrigerante procedente del transformador enviado a través del intercambiador 44 de calor. El material enfriado se introduce en el intercambiador 44 de calor a través del conducto 48 conectado a una fuente convencional de material enfriado (no mostrado). El material enfriado que se ha calentado cuando se está usando para reducir la temperatura del aceite refrigerante se descarga desde el intercambiador 44 de calor a través del conducto 50, que devuelve el material enfriado a la fuente de material enfriado para su reutilización. El intercambiador 44 de calor puede ser uno cualquiera de una variedad de intercambiadores de calor configurados de diferente manera conocidos en la técnica, tales como un intercambiador de calor de carcasa y tubos. Sin embargo, en la realización más preferida de la invención, el intercambiador de calor se basa en una transferencia de fluido a fluido de energía calorífica entre flujos de fluidos de trabajo (es decir, aceite refrigerante y material enfriado).

La válvula 40 de tres vías está conectada a un mecanismo de detección y control de la temperatura o controlador, mostrado de manera abstracta en 55, que controla el funcionamiento de la válvula 40. El controlador 55 también puede programarse y conectarse operativamente de manera convencional de modo que se controle el resto del sistema de refrigeración de la invención, tal como la válvula 47 de dos vías o el flujo de material enfriado desde la fuente de material enfriado, de manera que se entenderá por un experto en la técnica en vista de la explicación siguiente. Preferiblemente, el controlador 55 puede ser un controlador programable convencional que genera señales de control como una función de diversas señales de entrada. En una realización específica, el controlador 55 puede programarse para controlar la válvula 40 como una función de la temperatura del aceite refrigerante. En esta realización específica, el controlador 55 puede incluir sensores de temperatura instalados de manera interna y/o externa al alojamiento del transformador o tanque, tal como suspendidos en el aceite refrigerante en el tercio superior del alojamiento en particular.

Con el fin de optimizar el rendimiento del transformador, el controlador 55 puede configurarse de modo que la temperatura detectada del aceite refrigerante y aislante del transformador comience a aumentar, pueden proporcionarse señales digitales desde los sensores a un dispositivo de película delgada integrada de estado sólido que extrapola la curva de crecimiento para determinar si la temperatura máxima del aceite refrigerante superará un nivel aceptable durante un periodo de tiempo siguiente predeterminado. De hecho, puede realizarse esta misma determinación a un nivel de software con un controlador 55 configurado apropiadamente. Normalmente, las temperaturas máximas dentro del transformador deben mantenerse inferiores a 95ºC (203ºF) o limitado a un aumento de 65ºC por encima de las temperaturas ambientales con el fin de mantener la capacidad nominal del transformador y conservar la vida útil. Si se prevé que van a superarse estos parámetros, entonces el controlador 55 abre automáticamente la válvula 40, así como otras válvulas necesarias, en el orden apropiado para iniciar el proceso de enfriamiento. Por ejemplo, cuando la fuente de material enfriado ha producido material enfriado a una temperatura apropiada, se abren las válvulas en orden para permitir que el material enfriado fluya a través del intercambiador 44 de calor "refrigerante". El controlador 55 puede abrir de manera sustancialmente simultánea la válvula 40 para enviar el aceite refrigerante a alta temperatura para la reducción de temperatura.

Debido a esta característica de "anticipación" de la arquitectura de control del sistema, no se permite nunca que los componentes internos del transformador 10 se aproximen a las temperaturas que podrían reducir la vida útil o la eficacia del transformador. Además, el controlador 55 puede programarse para hacer funcionar el sistema de refrigeración de la invención dentro de cualquier intervalo de temperaturas ambiente y del aceite refrigerante para maximizar la transferencia de potencia del transformador. En un enfoque alternativo, el controlador 55 puede incluir información almacenada indicativa de un historial de temperaturas de un transformador específico. Por ejemplo, los transformadores muestran normalmente una respuesta de temperatura generalmente uniforme a las cargas de funcionamiento y a las condiciones ambientales. Cada transformador responde de manera diferente y cada uno tiene una respuesta de temperatura umbral diferente antes de que surja una condición perjudicial. El controlador 55 puede mantener un historial o perfil de temperaturas para cada transformador conectado al sistema de refrigeración. Los datos de temperatura real procedentes de los sensores de temperatura del aceite refrigerante para cada transformador pueden compararse frente a este perfil para determinar si se prevé una condición de temperatura problemática.

Está dentro del alcance de la presente invención suministrar material enfriado al intercambiador 44 de calor de cualquier manera que conozca el experto. Por ejemplo, puede usarse la electricidad de la estación del transformador para producir material enfriado alimentando un equipo de refrigeración por compresión de vapor, o un enfriador de absorción y/o fuentes naturales de agua subterránea, lagos, etc. (por ejemplo, haciendo funcionar una bomba que lleva agua subterránea al intercambiador de calor). Tal equipo de refrigeración por compresión de vapor puede hacerse funcionar en línea, en otras palabras durante el periodo de tiempo en que realmente se necesita tal material enfriado, o fuera de línea, o tanto en línea como fuera de línea. Cuando se hace funcionar fuera de línea, el material enfriado producido por el equipo de refrigeración por compresión de vapor puede almacenarse adecuadamente como un fluido o hielo que puede usarse después para eliminar el calor del núcleo. Aún adicionalmente, el propio transformador de potencia es una fuente robusta de calor que puede usarse para alimentar un enfriador o refrigeración por absorción tal como se describe con más detalle más adelante. Cuando el calor del transformador es la fuente de energía para su propia refrigeración, puede realizarse un sistema de refrigeración incluso más eficaz energéticamente que lo que se logra mediante el uso de ventiladores o refrigeración por compresión de vapor.

La gráfica en la figura 3 ilustra los beneficios obtenidos mediante el sistema de refrigeración representado en la figura 2. La gráfica se refiere a la vida del transformador, en horas útiles, con respecto al aumento de temperatura en el aceite refrigerante del transformador. La curva C representa los límites de rendimiento para los sistemas de refrigeración de aire y de aceite forzados tradicionales de la técnica anterior. Estos sistemas anteriores no pueden normalmente mantener de manera predecible el rendimiento del transformador a la izquierda de la curva C, lo que significa que el transformador puede hacerse funcionar en un intervalo peligroso. Sin embargo, con la presente invención, el rendimiento del transformador siempre se mantiene en la región "segura", tal como se representa mediante el intervalo R de funcionamiento en la figura 3.

Haciendo referencia ahora a la figura 4 y la figura 4A, se muestra una configuración de equipo adecuada para proporcionar material enfriado al intercambiador 44 de calor complementario de la figura 2. En la figura 4, el transformador 20 y los componentes relacionados mostrados en la figura 2, y distintos al intercambiador 44 de calor, se indican de manera abstracta en 60. En esta realización, se usa un enfriador de absorción o generador de refrigeración, generalmente designado como 65, como la fuente de material enfriado para el intercambiador 44 de calor.

El conducto 48 está conectado operativamente al enfriador 65 de absorción para suministrar un fluido de trabajo refrigerado o material enfriado desde el enfriador 65 de absorción hasta el intercambiador 44 de calor de carcasa y tubos. El material enfriado puede ser agua, preferiblemente a una temperatura de entre aproximadamente 6ºC y 16ºC (42ºF y 60ºF). El enfriador 65 se controla mediante el controlador 55 para proporcionar un fluido de temperatura modulada. El conducto 50 está conectado operativamente al enfriador 65 de absorción para devolver el material enfriado calentado para su nueva refrigeración. El enfriador 65 de absorción está conectado, por medio de tuberías 72 y 74, a una torre 70 de refrigeración de diseño tradicional que permite que se expulse a la atmósfera el calor absorbido en exceso procedente del proceso de enfriamiento por absorción. La tubería 72 transporta agua a alta temperatura, tal como a temperaturas de entre aproximadamente 32ºC y 54ºC (90ºF y 130ºF), hasta la torre 70 de refrigeración. La tubería 74 devuelve agua a menor temperatura, tal como a temperaturas de entre aproximadamente 21ºC y 38ºC (70ºF y 100ºF) al enfriador 65 de absorción para usos de refrigeración.

La energía calorífica usada para alimentar el enfriador 65 de absorción se suministra por agua a alta temperatura, tal como a temperaturas de entre aproximadamente 93ºC y 116ºC (200ºF y 240ºF), suministrada por la tubería 78 desde un intercambiador 80 de calor de material de cambio de fase (PCM, "phase change material"). El vapor también puede ser la fuente de energía calorífica. La tubería 82 devuelve agua a menor temperatura desde el enfriador 65 de absorción al intercambiador 80 de calor de PCM para su recalentamiento. En la realización más preferida, el intercambiador 80 de calor de PCM puede ser de un tipo descrito en la solicitud de patente de los EE.UU. número 09/607.853 en tramitación junto con la presente, titulada "Phase Change Material Heat Exchanger With Heat Energy Transfer Elements Extending Through the Phase Material" (Intercambiador de calor de material de cambio de fase con elementos de transferencia de energía calorífica que se extienden a través del material de fase).

Tal como se muestra de manera abstracta en la figura 4A, la salida de la estación 85 del transformador está conectada eléctricamente a los elementos 87 de transferencia de energía calorífica incluidos en el material 89 de cambio de fase. Se envía la electricidad procedente de la estación 85 del transformador para calentar los elementos 87 y fundir el material 89 de cambio de fase. Este proceso se inicia preferiblemente mediante un controlador, tal como el controlador 55, en un momento del día en el que la carga de envío es menor que el régimen nominal del transformador, incluyendo posiblemente momentos fuera de línea tales como por la noche, cuando el sistema de refrigeración de la invención es menos necesario. El intercambiador 80 de calor de PCM se diseña de tal manera que la energía calorífica cedida a medida que se solidifica el material de cambio de fase desde un estado fundido se transfiere al agua que pasa a través del anillo del intercambiador de calor y se encamina al enfriador 65 de absorción, de tal manera que el enfriador 65 puede producir material enfriado usado para acondicionar el aceite del transformador que pasa a través del intercambiador 44 de calor.

No se proporciona en el presente documento una descripción adicional de las operaciones internas del enfriador 65 de absorción, ya que su funcionamiento general se conoce en la técnica. Por ejemplo, la configuración y mecanismos de un enfriador 65 se describen adicionalmente en la patente de los EE.UU. número 4.936.109.

Haciendo referencia ahora a la vista desde arriba esquemática de la figura 5, el sistema de refrigeración de la figura 4 se muestra, más adicionalmente, modernizado o adaptado para refrigerar un transformador 10 de potencia existente con un régimen nominal de capacidad de 100 MVA, por ejemplo. El transformador 10 existente se muestra ya equipado con cuatro radiadores 22 de refrigeración ambiente de aceite-aire forzado y sus bombas 28 asociadas conectadas de manera convencional, y tal como se describió anteriormente con referencia a la figura 2, al volumen interno del transformador. Según se describió anteriormente con referencia a la figura 2, cada entrada al radiador 22 se dota de una válvula de derivación, tal como la válvula 40, conectada a una línea 42 de aceite a alta temperatura común conectada a un intercambiador de calor, tal como el intercambiador 44 de calor. El aceite del transformador refrigerado mediante su paso a través del intercambiador 44 de calor se devuelve mediante la tubería 46 de múltiples ramificaciones para la nueva introducción en el transformador en las cuatro entradas próximas a los cuatro radiadores 22. En una realización específica, el intercambiador de calor se dota con una capacidad de transferencia de calor de aproximadamente 330.000 kcal (setenta y cinco termias británicas (therm)) y aunque se muestra como una unidad individual, puede componerse de múltiples unidades más pequeñas que proporcionan juntas la capacidad de refrigeración requerida.

La temperatura de la salida de aceite refrigerante desde el intercambiador de calor es una función de las condiciones ambientales y la carga del transformador. Cuando las temperaturas ambiente son altas, el intercambiador de calor funciona como una salida de aceite refrigerante a una temperatura que, junto con el rendimiento del aceite refrigerante controlado por el controlador 55, evita que el transformador se caliente más allá de su nivel recomendado. Por ejemplo, para la realización de la figura 5 descrita con más detalle en el presente documento, en condiciones meteorológicas máximas en verano en la región central de los EE.UU. (aire ambiente de aproximadamente 38ºC (100ºF)) durante las cuales la utilización de electricidad está en su máximo de modo que el transformador 10 está completamente cargado, es necesario que el aceite refrigerante evite el sobrecalentamiento del transformador. En un caso específico, y a modo de ejemplo únicamente, la temperatura de la entrada de aceite al intercambiador 44 de calor puede estar a aproximadamente 105ºC (221ºF) con la temperatura de la salida de aceite refrigerante del intercambiador 44 de calor en un punto de referencia inferior, tal como aproximadamente 80ºC (176ºF). Si se desea una temperatura incluso inferior del aceite refrigerante de salida para tales condiciones, puede requerirse un enfriador más grande, así como más intercambiadores de calor que los mostrados en la figura 5 para un mayor almacenamiento de energía. Naturalmente, pueden sustituirse otros tipos de disipadores de calor por los intercambiadores de calor descritos para conseguir la capacidad de almacenamiento de energía requerida. Aún adicionalmente, en situaciones en las que las temperaturas ambiente son inferiores, la salida de los intercambiadores de calor puede estar a una temperatura inferior y puede usarse para refrigerar el transformador incluso adicionalmente (es decir, por debajo de 105ºC (221ºF)) para mejorar la eficacia del transformador.

En la realización específica representada en la figura 5, un enfriador 65 de absorción de 415 toneladas alojado en una construcción para todo tipo de clima mostrada de manera abstracta en 66 proporciona al intercambiador 44 de calor un flujo de un material enfriado, tal como agua enfriada a aproximadamente 7ºC (45ºF) a través del conducto 48. El conducto 50 devuelve el material enfriado calentado desde el intercambiador 44 de calor hasta el enfriador 65. El enfriador 65 de absorción está conectado a una torre 70 de refrigeración a través de tuberías 72 y 74 de manera convencional.

De nuevo a modo de ejemplo, el enfriador 65 de absorción puede alimentarse mediante agua a alta temperatura a aproximadamente 116ºC (240ºF) suministrada por la tubería 78 conectada en paralelo a una pluralidad de intercambiadores 80 de calor de PCM del tipo descrito con referencia a la figura 4. Los intercambiadores 80 de calor pueden comprender veinte unidades, cada una construida a partir de un tubo de 12,8 m (cuarenta y dos pies) de largo y 0,61 m (veinticuatro pulgadas) de diámetro. Cada intercambiador de calor puede llenarse con aproximadamente 7 toneladas métricas (8 toneladas) de sal o material de intercambio de fases. La tubería 82 está conectada en paralelo a los intercambiadores 80 de calor para devolver agua a menor temperatura procedente del enfriador 65 de absorción para su recalentamiento. Los intercambiadores 80 de calor pueden suministrase selectivamente con electricidad de la estación en horas de menos demanda con el fin de almacenar varios millones de kcal (BTU) (tales como 66.000.000 kcal (15.000.000 BTU)) que pueden ser suficientes para dos horas de operaciones durante la carga y temperatura máximas del transformador) dentro de material de cambio de fase fundido eléctricamente para el calentamiento final de agua para su uso por el enfriador 65 u otro aparato de refrigeración. Como la energía almacenada en los intercambiadores 80 se agota con el tiempo, el controlador que regula el funcionamiento del sistema de refrigeración hace que se extraiga energía eléctrica adicional desde la estación eléctrica cuando la estación no está implicada en el envío en horas de máxima demanda para recargar el almacenamiento de energía del material de cambio de fase. En otras palabras, la energía eléctrica para fundir el material de cambio de fase se obtiene de la subestación del transformador durante momentos de menores requerimientos eléctricos, tales como de noche y en horas durante el día en las que no se requiere la capacidad eléctrica total de la estación para atender la demanda. Aunque estos principios de la invención se han explicado con referencia a un intercambiador de calor de tipo PCM, pueden adaptarse otras formas de intercambiador de calor para su uso con este sistema de la invención.

Haciendo referencia ahora a la figura 6, se muestra todavía otra realización del sistema de refrigeración de transformador de la presente invención. El sistema de refrigeración de la figura 6 es similar al sistema de refrigeración de la figura 5, excepto en que incluye además un intercambiador 100 de calor secundario que se emplea para permitir que el enfriador de absorción se alimente mediante el calor generado por el transformador. En algunos casos, durante la puesta en marcha del enfriador de absorción, puede requerirse capacidad de refrigeración adicional. Además, puede necesitarse energía calorífica adicional por el propio enfriador para facilitar su puesta en marcha.

En esta realización, el aceite refrigerante a alta temperatura procedente del transformador se introduce en un intercambiador 100 de calor, que puede ser un intercambiador de calor de carcasa y tubos, por medio de una ramificación 42a conectada al conducto 42. Preferiblemente, está interpuesta una válvula controlable entre el conducto 42 y la ramificación 42a, válvula que puede controlarse mediante un controlador programable separado como una función de la temperatura del aceite refrigerante, el estado del enfriador 65 de absorción u otras condiciones. Se descarga aceite refrigerante a temperatura reducida desde el intercambiador 100 de calor hacia la ramificación 101 conectada a la entrada del intercambiador 44 de calor primario. En una realización específica, el intercambiador de calor secundario puede reducir la temperatura del aceite desde 105ºC (221ºF) hasta aproximadamente 88ºC (190ºF).

El fluido de trabajo, tal como agua, que va a calentarse mediante el intercambiador 100 de calor se suministra por la tubería 102 que está conectada a la tubería 82, que devuelve agua a menor temperatura desde el enfriador 65 de absorción para su recalentamiento. La salida de fluido de trabajo calentado del intercambiador 100 de calor entra en la tubería 104 que está conectada a la tubería 78 que suministra agua a alta temperatura, tal como entre aproximadamente 93ºC y 116ºC (200ºF y 240ºF), al enfriador 65 de absorción para alimentar la producción de material enfriado encaminado al intercambiador 44 de calor. Puede conectarse un conjunto de válvulas apropiado al controlador del sistema de refrigeración de la invención a través de las tuberías 78 y 82 de tal manera que puedan encaminarse selectivamente fluidos entre el enfriador 65 de absorción y cualquiera de los intercambiadores 80 de calor de PCM o el intercambiador 100 de calor. Tales válvulas hacen que se suministre energía calorífica al enfriador 65 de absorción desde la fuente de mayor energía calorífica de los intercambiadores 80 de calor de PCM durante ciertos periodos, tales como durante la puesta en marcha del enfriador de manera eficaz o cuando el material enfriado requerido por el intercambiador 44 de calor es mayor que el que puede proporcionarse por el enfriador 65 de absorción cuando sólo se alimenta mediante el calor generado desde el intercambiador 100 de calor. Más particularmente, los intercambiadores 80 de calor de PCM pueden proporcionar una oleada de calor para permitir un encendido eficaz del enfriador cuando el propio transformador no ha "ingresado" suficiente calor que puede liberar el intercambiador 100 de calor para ello, o cuando un "ingreso" suficiente de calor en el transformador sería adverso para la vida o eficacia del transformador. En una realización alternativa, en lugar de usar intercambiadores 80 de calor de PCM, puede proporcionarse la puesta en marcha del enfriador mediante otros dispositivos conocidos, tales como un dispositivo mecánico de refrigeración, por ejemplo una caldera auxiliar. Se suministra energía calorífica al enfriador 65 mediante un intercambiador 100 de calor cuando el enfriador de absorción se ha encendido y está funcionando en modo continuo, o en momentos en que se requiere una menor producción de material enfriado.

La realización preferida de la figura 6, que usa intercambiadores de calor de PCM con el complemento de un sistema que emplea el calor del transformador (intercambiador 100 de calor), permite que el operario del sistema optimice la economía de la invención de refrigeración de un transformador seleccionando aquellos momentos en los que está más disponible la energía eléctrica y es menos costoso cargar el sistema de PCM de modo que estaría disponible para mejorar el funcionamiento del transformador cuando el equipo y el sistema están en un modo de máximo coste de funcionamiento a alta tensión. Un beneficio simultáneo del sistema tal como está configurado también permite que los operarios del sistema elijan "ingresar" calor almacenado en los intercambiadores de calor de PCM durante momentos en los que los costes energéticos son los menores, momentos de menor demanda, y devolvérselo haciendo funcionar el sistema de refrigeración del transformador para reducir las pérdidas del núcleo y los arrollamientos del transformador, lo que mejora la eficacia de rendimiento de las unidades y reduce los costes de funcionamiento, incluso cuando la unidad puede funcionar por debajo de temperaturas críticas debido a temperaturas ambiente inferiores.

En una realización específica útil para un transformador de 300 MVA, el enfriador puede ser un dispositivo de 321 toneladas métricas (354 toneladas), tal como la unidad Trane modelo ABSC-03F. El intercambiador de calor puede ser una unidad de PCM de 14 - 16 toneladas métricas (16 - 18 toneladas). El sistema ilustrado puede almacenar 15.000.000 kcal (3.300.000 BTU) en horas de menos demanda para aumentar la fuente calorífica para el enfriador de absorción.

En una modificación de la realización de la figura 6, la línea 101 de salida puede conectarse directamente al conducto 46, desviándose así eficazmente del intercambiador 44 de calor primario. Con esta configuración, el intercambiador 100 de calor secundario puede proporcionar la refrigeración primaria para el aceite del transformador, reduciendo de ese modo los requisitos de salida para el enfriador de absorción.

El sistema de refrigeración de la presente invención, tal como el sistema 27 descrito anteriormente, puede formar una parte integrada en una subestación de generación de energía. Por tanto, tal como se representa en la figura 7, pueden proporcionarse varios transformadores 10 con un sistema 27 de refrigeración correspondiente. Cada sistema de refrigeración puede incluir un enfriador, tal como el enfriador 65, conectado a una torre 70 de refrigeración común. El controlador 55 programable puede alojarse en una construcción de mantenimiento o control. Puede proporcionarse un único controlador para cada sistema de refrigeración, o un controlador común puede recibir datos de temperatura y rendimiento desde y emitir señales de control hacia cada sistema de refrigeración. Preferiblemente, los componentes de cada sistema 27 de refrigeración se calibran para hacer circular aceite refrigerante a aproximadamente 1.200 l/min (360 gpm) y para conseguir un enfriamiento en línea de hasta 107 toneladas métricas/h (118 toneladas/h).

Claims (16)

1. Sistema para reducir la temperatura de un refrigerante (15) que fluye a través de un transformador (10) de potencia, que comprende

un sistema (27) de refrigeración de transformador de potencia que tiene un primer intercambiador (22) de calor que tiene un primer conducto (20) de entrada para recibir el refrigerante desde el transformador (10) de potencia, y una salida (30) para devolver el refrigerante al transformador (10) de potencia;

una válvula (40) controlable conectada entre el primer conducto (20) de entrada y un segundo conducto (42) de entrada, comunicando el segundo conducto (42) de entrada con un segundo intercambiador (44) de calor, de líquido a líquido, una fuente (48) de material enfriado conectada al segundo intercambiador (44) de calor para proporcionar material enfriado al mismo para retirar calor del refrigerante que fluye a través del segundo intercambiador (44) de calor, comunicando una segunda salida (46) del segundo intercambiador (44) de calor con el transformador (10) de potencia; y

la válvula (40) controlable que puede hacerse funcionar selectivamente entre una posición abierta en la que el refrigerante se desvía hacia el segundo conducto (42) de entrada y una posición cerrada en la que se permite que el refrigerante fluya a través del primer conducto (20) de entrada hasta el primer intercambiador (22) de calor, accionando un controlador (55) la válvula (40) como una función de la temperatura de o bien el sistema (27) de refrigeración de transformador o el transformador (10).

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que la válvula (40) controlable incluye un controlador (55) programable que tiene una memoria para almacenar un perfil de temperatura de o bien el sistema (27) de refrigeración de transformador o el transformador (10) y medios para comparar la temperatura de o bien el sistema (27) de refrigeración de transformador o el transformador (10) con el perfil de temperatura.

3. Sistema según la reivindicación 1, en el que el primer intercambiador (22) de calor es un intercambiador de calor de aire forzado.

4. Sistema según la reivindicación 1, en el que la fuente de material enfriado incluye un enfriador (65) de absorción.

5. Sistema según la reivindicación 4, en el que el enfriador (65) de absorción está conectado a un componente (80) líquido de almacenamiento de calor.

6. Sistema según la reivindicación 5, en el que el componente (80) de almacenamiento de calor incluye un material (89) de cambio de fase.

7. Sistema según la reivindicación 5, en el que el componente (80) de almacenamiento de calor se alimenta mediante energía generada por el transformador (10).

8. Sistema según la reivindicación 7, en el que el componente (80) de almacenamiento de calor se alimenta mediante la energía calorífica generada por el transformador (10).

9. Sistema según la reivindicación 1, en el que el material enfriado es agua.

10. Método para reducir la temperatura de un refrigerante que fluye a través de un sistema (27) de refrigeración de transformador de potencia, que comprende las etapas de:

insertar una válvula (40) controlable entre un primer conducto (20) de entrada de un primer intercambiador (22) de calor y un segundo conducto (42) de entrada que comunica con un segundo intercambiador (44) de calor, de líquido a líquido;

suministrar una fuente (48) de material enfriado al segundo intercambiador (44) de calor para retirar energía calorífica del refrigerante que fluye a través del segundo intercambiador (44) de calor; y

usar un controlador (55) para accionar la válvula (40) entre una posición cerrada en la que se permite que el refrigerante fluya a través del primer conducto (20) de entrada y una posición abierta en la que se desvía el refrigerante hacia el segundo conducto (42) de entrada, accionando el controlador (55) la válvula (40) como una función de la temperatura de o bien el sistema (27) de refrigeración de transformador o el transformador (10).

11. Método según la reivindicación 10, que comprende además la etapa de refrigerar el material enfriado usando un enfriador (65) de absorción accionado por un componente (80) de almacenamiento de energía calorífica.

12. Método según la reivindicación 11, que comprende además la etapa de accionar el componente (80) de almacenamiento de energía calorífica mediante energía extraída del transformador (10).

13. Método según la reivindicación 12, en el que la energía extraída del transformador (10) es energía calorífica.

14. Método según la reivindicación 13, en el que la energía calorífica extraída del transformador (10) es calor residual.

15. Método según la reivindicación 10, en el que el componente (80) de almacenamiento de energía calorífica incluye un material (89) de cambio de fase, y la energía extraída del transformador (10) es energía eléctrica.

16. Método según la reivindicación 15, en el que el transformador (10) es parte de una red de distribución de potencia y la energía extraída del transformador (10) es energía eléctrica en horas de menos demanda.